Zajištění průtoku

Zajišťování průtoku se zabývá nákladově efektivními přístupy k těžbě a přepravě tekutin ze zásobníku do zpracovatelského závodu. Během těžby a přepravy surové ropy hrají klíčovou úlohu informace o vlastnostech tekutin a provozních podmínkách. Tyto informace jsou naprosto nezbytné při prevenci tvorby a usazování nežádoucích pevných látek (hydrátů, parafínu, asfaltenů a dalších usazenin). V případě extrémních teplot a tlaku mohou v potrubí krystalizovat hydráty metanu krystalizovat. Mohou se v něm rovněž srážet asfalteny. Při nesprávném řízení procesních podmínek se mohou krystaly hydrátu, asfalten a parafín srážet a hromadit natolik, že potrubí zcela zneprůchodní. Odstranění hydrátové nebo asfaltenové zátky v podmořském potrubí může být velmi nákladné a nebezpečné.

Překážky v zajišťování průtoku se dále kumulují v důsledku přechodu z konvenčních ropných zásob na ropná pole s klesající produkcí. Na stárnoucích ropných polích se zvyšuje podíl vodní frakce. V některých případech obsluha vstřikuje do stárnoucích ropných polí vodu, aby tak zvýšila výtěžnost. Emulze vody a surové ropy dále komplikují zajišťování průtoku v potrubí. Přítomnost přirozené či injektované vody společně s uhličitanem vápenatým může za určitých podmínek vést k usazování vodního kamene. Usazeniny uhličitanu vápenatého mohou zneprůchodnit potrubí a způsobit závady na výrobním zařízení, a tak ještě více prodražit těžbu ropy ze stárnoucích ropných polí. Většina běžně dostupných inhibitorů hydrátů a antiaglomeranty ztrácí účinnost s rostoucím podílem vody. Nakonec je třeba emulzi rozbít, aby bylo možno oddělit vodu od ropy. Rozbití emulze prostřednictvím fyzikálních či chemických metod může být velmi nákladné, zejména v případě těžkých emulzí, které obsahují stabilizační pevné látky, jako jsou asfalteny.

Proto je naprosto nezbytné zkoumat a vyvíjet nákladově efektivní strategie pro zajišťování průtoku a kontrolovat výskyt pevných látek a emulzí s cílem minimalizovat ekonomická rizika po celou dobu životnosti ropného pole.

Vícefázový průtok potrubím často vzniká za extrémních teplot a tlaků, což výrazně ztěžuje, či dokonce zcela znemožňuje odběr vzorků a analýzu off-line. K manipulaci se vzorky pro off-line měření se obvykle používá ředění nebo disperze, které však mohou pozměnit vícefázové složky. Off-line měření proto nelze využívat k optimalizaci procesů a regulačním rozhodnutím v reálném čase. Rychlý vývoj technologií pro in situ charakterizaci částic, jako jsou technologie ParticleTrack a ParticleView, umožňuje rychlé měření fázového chování částic in situ – tj. bez odběru vzorků.

Mezi aplikace související se zajišťováním průtoku, se řadí:

• asfaltenové sedliny,
• tvorba plynového hydrátu,
• separace emulzí,
• analýza teploty vzniku parafínu a morfologie parafínových krystalů.

Asfalteny jsou komplexní směsi polyaromatických sloučenin s heteroatomovými částicemi, jako jsou dusík, kyslík a síra, společně s organokovovými sloučeninami železa, niklu a vanadia. Asfalteny se obvykle popisují jako složka surové ropy, která je nerozpustná v alkanech (např. n-heptanu či n-pentanu), avšak je rozpustná v aromatických rozpouštědlech (toluenu či benzenu). Změna složení, tlaku a teploty ropy může asfalteny destabilizovat. Například pokles tlaku během těžby ropy může způsobit nežádoucí srážení a rozklad asfaltenů ve vrtných otvorech a nádržích. Srážení/rozklad asfaltenů způsobuje poškození formace, vznik stabilních emulzí, které lze jen obtížně separovat, a částečné nebo úplné zneprůchodnění potrubí.

Srážení asfaltenů závisí na několika okolnostech, jako jsou teplota, tlak a složení tekutiny. Obdobně ukládání usazenin asfaltenů v potrubí může záviset na rychlosti průtoku, interakci mezi částicemi, interakci mezi částicemi a povrchem potrubí atd. 

Rozptyl počátku srážení asfaltenů a jeho kinetika byly podrobeny zkoumání na čtyřech vzorcích ropy a rezidua 190+. Do skleněné kádinky bylo nadávkováno 40 g ropy a následně zamícháno při 400 otáčkách za minutu. Technologie ParticleTrack
byla použita ke zkoumání počátku, kinetiky a koncového bodu  srážení za přidání n-heptanu.

• Technologie ParticleTrack dokáže rychle stanovit počáteční poměry srážení u různých vzorků ropy – bez nutnosti odběru vzorků off-line
•  Do rezidua D-190+ byla přidána tři komerční aditiva – A, B a C – při různých koncentracích ppmV
• Technologie ParticleTrack byla použita k rychlému stanovení nejvhodnějšího typu a koncentrace aditiva k prevenci srážení asfaltenů
• Zkoumáním těchto kinetických jevů mohou vědci šířeji pochopit a regulovat srážení asfaltenů a jejich usazování při těžbě různých druhů ropy z různých zdrojů

Reference: Dufour a kol. Energy Fuels, 2009, 23 (3), 1155–1161.

Tato rozsáhlá prezentace byla uvedena na univerzitě v Tulse a zabývala se oborovými příklady optimalizace při zajišťování průtoku, separacích, zanášení potrubí a nakládání s odpady s cílem snížit náklady na průzkum a těžbu tmavé ropy za běžných provozních teplot a tlaků bez nutnosti odběru a ředění vzorků.

Plynové hydráty jsou led připomínající krystalické struktury, které se tvoří při komplexní interakci mezi ropou, plynem a vodou za vysokého tlaku a nízkých teplot. Základní znalosti strukturálních přechodů, mechanismů tvorby a její kinetiky stále nejsou u plynových hydrátů známé.

Přirozené podmínky nezbytné pro krystalizaci plynových hydrátů se často vyskytují v ropovodech. Po nukleaci částic hydrátu dochází k jejich dalšímu růstu a aglomeraci. Aglomeráty mohou nakonec narůst do takových rozměrů, že v potrubí vytvoří hydrátovou zátku. Vytvoření hydrátové zátky negativně ovlivňuje průtočnost potrubí a v extrémních případech zátka může potrubí i zcela zneprůchodnit. Tvorba plynového hydrátu s sebou proto nese zvýšené náklady v důsledku přerušení těžby následkem omezení průtoku či zneprůchodnění potrubí, poškození zařízení a bezpečnostních rizik pro zaměstnance.

Standardní prostředek pro prevenci vzniku plynového hydrátu představují termodynamické inhibitory (THI), a to navzdory jejich vysoké ceně a problematickému vztahu k životnímu prostředí. Indukční dobu mohou případně prodloužit i méně nákladné „nízkodávkové inhibitory hydrátů“ (LDHI), které mohou aglomeraci primárních částic hydrátů zcela předejít a zachovat ropu ve stavu čerpatelné kaše. Aby bylo možno vyvíjet nové, hospodárné strategie pro práci s hydráty, namísto prevence jejich tvorby, je nezbytné pochopit mechanismy krystalizace, aglomerace a usazování hydrátů.

Používání spolehlivých in situ technologií k monitoringu krystalizace a aglomerace hydrátu v reálném čase umožní obsluze i) optimalizovat spotřebu nákladných THI, ii) posoudit spolehlivost méně nákladných LDHI a iii) vyvinout robustní strategii za použití jak THI, tak KHI.

Technologie ParticleView zajišťuje vizualizaci znatelné aglomerace hydrátu in situ bez použití LDHI (obrázek vlevo). Použití LDHI stabilizuje hydráty v podobě dobře rozptýlené směsi (obrázek vpravo).

Reference: Duy Nguyen a kol. (Spolupráce společnosti Nalco a METTLER TOLEDO)

Sondové technologie ParticleTrack a ParticleView představují ideální volbu pro charakterizaci plynových hydrátů metanu, částic asfaltenů, vodního kamene a emulzí ropy. Ve většině případů představují podmínky procesu (vysoký tlak), za kterých se tvoří krystaly hydrátů a sráží asfalteny, takřka nepřekonatelnou překážku v odběru vzorků. Částicové a kapkové systémy se vyznačují extrémní citlivostí vůči kolísání teploty a tlaku. Off-line techniky navíc vyžadují ředění vzorků, které může způsobit změnu velikosti kapek, zvrátit aglomeraci hydrátů a změnit rozpustnost asfaltenů. Dokonce i za podmínek, kdy odběr vzorků lze provést, není měření zředěných vzorků reprezentativní z hlediska skutečného stavu v systému a poskytuje jen velmi omezený soubor údajů. Sondové technologie FBRM a PVM umožňují sledování celý dynamický částicový a kapkový systém v ropě za standardních provozních teplot a tlaků, zcela bez potřeby odběru a ředění vzorků.

Odsolení představuje důležitý krok před zahájením rafinace surové ropy. Během odsolení dochází k převodu anorganických solí a kontaminantů přítomných v surové ropě do vodní fáze. Nedostatečný výkon odsolovacího zařízení způsobuje zanášení přístrojů v rafinerii v důsledku strhávání pevných částic, koroze věže působením kyselin. Současně způsobuje též zvyšování nákladů na čištění solanky v důsledku unášení ropných částic.

Technologie ParticleTrack je vysoce citlivá na změny v počtu a velikosti kapek, protože způsobuje změny v míchání – silnější míchání způsobuje snížení středních hodnot a zvýšení populace malých kapek (<80 μm).

• Optimální velikost a populace kapek přímo ovlivňují přenos kontaminantů do vodní fáze v průběhu míchání a separace vody od ropy v tancích.
• Technologie ParticleTrack s funkcí trendů dokáže ihned odhalit kritické parametry procesu (např. míchání, průtok promývací vody) a umožňuje řízení procesních parametrů s cílem maximalizovat odstraňování kontaminantů a zkrátit dobu potřebnou k provedení separace na minimum.

Snímky z přístrojů ParticleView ve vysokém rozlišují potvrzují transformaci velkých kapek při 500 otáčkách/minutu na menší kapky při 200 otáčkách/minutu.

Technologie ParticleTrack sleduje distribuci částic při různých otáčkách míchání, a umožňuje tak podnikům právně cílit distribuci kapek pro vyšší výkon odsolovacího zařízení.

Informace získané pomocí technologií ParticleTrack a ParticleView pomáhají snižovat strhávání pevných částic a unášení ropných částic, optimalizovat využití chemických aditiv, zrychlit provoz odsolovacího zařízení a předcházet důsledkům jeho nedostatečného výkonu, například korozi a zanášení potrubí.

Deemulgátory pro separaci vody a ropy se často posuzují pomocí zkoušky v láhvi – jedná se o vizuální techniku, která nezohledňuje velikost kapek a vlastnosti emulze. V této studii byly použity sondy ParticleTrack a ParticleView ke sledování vlivu deemulgátoru na směs 30 % ropy (API ~30) a 70 % solanky.

a. t= 15 m: Snímky z technologie ParticleView v reálném čase za absence deemulgátoru ukazují, že emulze zůstává stabilní po dobu experimentu v délce trvání 15 minut. Sonda ParticleView pomáhá při rychlém vizuálním potvrzení stability/nestability emulze.

b. t= 0 m: Za přítomnosti deemulgátoru jsou zpočátku pozorovány větší kapky. Kapky jsou pozorovány in situ, v jejich přirozeném prostředí a bez vlivu na fyzikální integritu kapek, který způsobuje odběr vzorků.

c. t= 3 m Po uplynutí určité doby se menší kapky spojí, projdou morfologickým přeskupením a vytvoří větší kapky. Sonda ParticleView sleduje vývoj kapek v reálném čase a poskytuje důležité informace o dynamice a transformaci kapek za přítomnosti deemulgátoru.

d. t = 6 m Velké kapky se nakonec oddělí a v solance zanechají malé kapky oleje. Snímky technologie ParticleView lze použít k rychlému posouzení čistoty ropy a vodní fáze po dokončení separace.

Technologie ParticleTrack dokáže kvantifikovat změny kapek za přítomnosti deemulgátoru. Velikost kapek přímo ovlivňuje proces separace vody od ropy – kvantifikace velikosti kapek umožňuje rychlou kontrolu a přípravu vhodného deemulgátoru

• Pochopení vlivu deemulgátoru na separaci vody od ropy představuje zásadní předpoklad pro dosažení úspor nákladů souvisejících s přepravou a rafinací ropy
• In-line monitoring nabízí přímou metodu pro monitorování procesů prostřednictvím přesného sledování změn emulzí a možnost přípravy optimálního deemulgátoru s cílem dosáhnout snazší a rychlejší separace vody od ropy

Reference: Duy Nguyen a kol. (Spolupráce společnosti Nalco a METTLER TOLEDO)

Technologie ParticleView a ParticleTrack používají k zajišťování průtoku při těžbě ropy a plynu přední světové společnosti a výzkumné týmy z celého světa. Níže uvádíme seznam literatury.

Tvorba plynového hydrátu

Aline Melchuna, Ana Cameirão, Yamina Ouabbas, Jean-Michel Herri, Philippe Glenat. Doprava hydrátové kaše u ropy s vysokým podílem ložiskové vody. 8. mezinárodní konference o plynových hydrátech, červenec 2014, Pékin, Čína. pp.T5–16, 2014.

Greaves  D,  Boxall  J,  Mullingan  J,  Sloan  ED, Koh  CA.   Formování  hydrátů  z  ropy z  emulzí ropy s vysokým obsahem  vody.  Chemical Engineering Science, vol. 63. 2008. s. 4570–4579.

Turner D,  Miller K, & Sloan E. Přímá konverze kapek vody na hydrát metanu v ropě. Chemical Engineering Science, 2009 vol: 64 (23) s: 5066–5072. 10.1016/j.ces.2009.08.013

Asfalteny

Marugán J,  Calles J,  Dufour J,  Giménez-Aguirre R,  Peña J, &  Merino-García D. Charakterizace oblasti počátku srážení asfaltenů pomocí technologie FBLR: Nástroj pro zkoumání aditiv. Energy & Fuels. 2009 vol: 23 (3) s: 1155–1161. 10.1021/ef800626a.

Ruidiaz EM, Koroishi ET, Kim NR, Trevisan OV, Soares-Bassani G & Merino-Garcia D. Vyhodnocení usazování asfaltenů – systematická studie a ověření on-line měření pomocí technologie měření odrazu zaostřených paprsků FBRM® za podmínek v zásobníku. J Pet Environ Biotechnol 2018, Vol 9(2): 364.  DOI: 10.4172/2157-7463.1000364

Javier Dufour, José A. Calles, Javier Marugán, Raúl Giménez-Aguirre, José Luis Peñaand Daniel Merino-García. Vliv distribuce uhlovodíků a reziduí v ropě na stabilitu asfaltenů. Energy Fuels, 2010, 24 (4), s 2281–2286. DOI: 10.1021/ef900934t.

Emulze ropy a vody

Boxall J,  Koh C,  Sloan E,  Sum A,  Wu D. Měření a kalibrace distribuce velikosti kapek v emulzích vody a ropy prostřednictvím částicového videomikroskopu a metody měření odrazu zaostřených paprsků. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010 vol: 49 (3) s: 1412–1418. DOI10.1021/ie901228e.

Less S, &  Vilagines R. Využití odrazu světelných paprsků k měření distribuce průměru částic v emulzích ropy, Fuel, 2013 vol: 109 s: 542–550. DOI10.1016/j.fuel.2013.03.048.

Wang W,  Li K,  Wang P,  Hao S,  Gong J. Vliv mezifázové dilatační reologie na rozbití rozptýlených kapek ve zředěné emulzi vody a ropy. Koloidní látky a povrchy: Fyzikálně-chemické a technologické aspekty. 2014 vol: 441 s: 43–50. DOI10.1016/j.colsurfa.2013.08.075.

Vodní kámen

N. Al Nasser, Waleed & Pitt, Kate & J. Hounslow, Michael & D. Salman, Agba. (2013). Monitoring agregace a usazování uhličitanu vápenatého za přítomnosti ultrazvukových vln a za použití techniky měření odrazu zaostřených paprsků. Powder Technology. 238. 151–160. 10.1016/j.powtec.2012.03.021.

N. Al Nasser, Al Salhi F. Stanovení kinetiky agregace a usazování uhličitanu vápenatého za použití in-line techniky. Chemical Engineering Science, 2013 vol: 86 s: 70–77. 10.1016/j.ces.2012.05.018

Rosário, F.F.,MONTALVÃO, V.T.K., PEREIRA, M.L.O., &  J. F. CAJAIBA DA SILVA (2012) Kinetická studie srážení uhličitanu vápenatého za použití analýzy FTIR v reálném čase a analýzy FBMR. 13. mezinárodní konference o fázovém chování ropy a zanášení potrubí, Saint Petersburg, Florida, USA.